""

Бесконтактный емкостной переключатель на логических элементах

Бесконтактный емкостной переключатель на логических элементах

В любой электрической схеме управления можно рассмотреть логическую взаимосвязь между ее элементами. Например, если проанализировать схему реверсивного управления с помощью магнитных пускателей, можно обнаружить, что необходимым условием одного из пускателей является отключенное состояние другого. Эта логическая связь осуществляется размыкающими контактами магнитных пускателей.

В некоторых схемах логическая связь объединяет несколько элементов. На рис. 7.3 приведены схемы включения реле. Необходимым условием включения реле К является одновременное замкнутое состояние контактов К1 и К2 (рис. 7.3, а), а для включения реле К в схеме (рис. 7.3, б) достаточно замыкания К1 или К2. В первом случае выполняется логическая связь «И», а во втором случае логическая связь «ИЛИ».

Рис. 7.3. Схемы включения реле: а)– при замыкании контактов К1 и К2; б)– при замыкании контактов К1 или К2

В основу логических элементов заложены наиболее часто встречающиеся в электрических схемах логические связи. Логические элементы получили свои названия по осуществляемым ими логическим связям. Различают основные и дополнительные логические элементы.

К основным относятся элементы, выполняющие логические связи И, ИЛИ, НЕ и их комбинации ИЛИ – НЕ, И – НЕ.

Логические элементы имеют один или несколько входов и один выход. Логический элемент И характеризуется тем, что сигнал на его выходе появляется только при одновременной подаче сигналов на все входы. В логическом элементе ИЛИ сигнал на выходе появляется при подаче сигнала хотя бы на один из его входов. Элементы И и ИЛИ имеют не менее двух входов. Элемент НЕ имеет один вход.

Логические элементы применяются в схемах управления в качестве промежуточных элементов. Они выполняют различные элементарные операции, позволяющие получить нужную последовательность включения исполнительных элементов схемы.

Логические элементы выполняют те же функциональные операции, что и электромагнитные контактные реле. Они имеют два устойчивых состояния – «включено» и «выключено», которые обозначаются соответственно цифрами 1 и 0. Для электромагнитного реле цифра 1 обозначает замкнутое состояние контакта, а цифра 0 – разомкнутое. Для бесконтактного логического элемента цифра 1 указывает на наличие напряжения на его выходе, а цифра 0 – на отсутствие напряжения. Аналогично обозначаются и входные сигналы логических элементов буквой Х, а выходные – Y.

Логический элемент ИЛИ. Выполняет функциональную операцию логическое сложение. Сигал на выходе элемента появляется при наличии хотя бы одного входного сигнала – Х1 или Х2. Операция ИЛИ может выполняться для любого количества входных сигналов. Эту функцию можно реализовать в виде логического сложения . Тогда для различных сочетаний входных контактов – замкнутого (логическая 1) или разомкнутого (логический 0) – имеем: , , , (чисто логическое сложение).

Логический элемент И. Выполняет функциональную операцию логическое умножение. Сигнал на выходе элемента появляется только в том случае, когда оба входных сигнала равны 1. В остальных случаях .

Логический элемент НЕ. Выполняет функциональную операцию отрицания или инвертирования. При наличии входного сигнала Х1 = 1 выходной сигнал отсутствует (), а при отсутствии входного сигнала () выходной сигнал .

Логический элемент ИЛИ – НЕ. В этом комбинированном элементе при наличии хотя бы одного сигнала на входе (Х1, сигнал на выходе , а при отсутствии входных сигналов (Х1, Х2) . Кроме рассмотренных примеров логические элементы могут выполнять запоминание определенного уровня входного сигнала (операция «ПАМЯТЬ»), блокировку (операция «ЗАПРЕТ»), выдержку времени на включение и отключение, и другие функции.

Наиболее простым способом проектирования схем управления на логических элементах является перевод предварительно составленной релейно-контакторной схемы в бесконтактный аналог заменой сочетаний контакторов и реле эквивалентными бесконтактными логическими элементами. Логические функции можно реализовать на полупроводниковых элементах диодных, транзисторных или диодно-транзисторных в обычном или интегральном исполнении.

На рисунке 7.4 показан узел схемы управления нереверсивным электроприводом с использованием бесконтактных логических элементов.

Рис. 7.4. Узел схемы управления нереверсивным электроприводом:

а) – релейно-контакторный эквивалент; б) – на бесконтактных логических элементах

В исходном состоянии сигналы:

Х1 – на входе элемента 2 (триггер),

Х2 – на выходе элемента 1 (И – НЕ);

Y – на выходе элемента 3 (усилителя) – равны нулю. Следовательно, контактор КМ отключен.

При нажатии на кнопку 2 появляется сигнал Х1 на входе элемента 2, триггер открывается и пропускает этот сигнал через усилитель на катушку контактора. Контактор срабатывает и подключает электродвигатель к сети.

Отключение электродвигателя от сети осуществляется нажатием на кнопку SB1 или при размыкании контакта КК электротеплового реле. При этом триггер переключается и на его выходе устанавливается нулевой сигнал. В результате размыкается цепь питания катушки контактора.

Бесконтактный емкостной переключатель на логических элементах

Данный высокочувствительный, бесконтактный датчик наличия человека является результатом несложно эксперимента и может быть пригоден для множества полезных применений. Микросхема 74HC02 NOR работает как высокоимпедансный емкостной датчик. Она устанавливает / сбрасывает триггерную схему, и управляет светодиодом и реле для устройства управления мощностью. Простое размещение пальца вблизи площадки, будет достаточно для переключения триггера – прямое касание человеком не требуется, поэтому площадка может быть изолирована. Диапазон действия устройства с настраиваемым уровнем чувствительности составляет 15 мм. Устройство питается от 12В источника постоянного тока.

Данная схема является усовершенствованным вариантом предыдущего решения, для которого требуется две контактные площадки: Non-Contact Human Interface Capacitive Switch

Принцип работы

Емкость входа логического элемента обычно составляет 3 пФ. Для того чтобы сделать данный вход более чувствительным по отношению к емкости человеческого тела рекомендуется установить резистор смещения величиной 100 МОм. Также данную величину сопротивления можно получить из цепочки последовательно соединенных резисторов номиналом от 10 до 22 МОм. Второй вывод резистора подключается к потенциометру смещения, поэтому статическое входное напряжение может быть установлено очень близко к цифровому порогу срабатывания (около Vcc /2). Чувствительность также увеличивается путем снижения напряжения Vcc до уровня 3 В (минимальное рабочее напряжение составляет 2.0 В). Радиус действия устройства величиной 15 мм достигается путем использования резистора сопротивлением 62 МОм. Контактная площадка представляет собой 1 центовую монету, припаянную к резистору величиной 1 МОм. Радиус действия устройства увеличивается до 25 мм при использовании руки вместо пальца.

После установки или сброса триггерной схемы, конденсатор C2 заряжается или разряжается через резистор R7. Когда он достигает порога (Vcc /2), логические элементы U2A & B переключают входной сигнал на противоположный вход триггера.

N-канальный MOSFET 2N7000 (Q1) управляет ультраярким белым светодиодом с током 20 мА и реле напряжением 12 В.

Входной резистор величиной 1 МОм защищает интегральную схему от статического разряда и позволяет прикасаться к контактной площадке без опасности электростатического пробоя.

Трудности при разработке схемы

Наибольшей проблемой при проектировании схемы было поместить логический элемент U2C внутри цепочки U1. Элемент U2C бесконтрольно генерировал импульсы при пересечении порога срабатывания, что создавало электрические помехи, нарушающие работу всего устройства. Еще одной трудностью было, что один из входов логического элемента был поврежден (возможно, электростатическим разрядом), поэтому он имел избыточную утечку, которая предотвращала работу с уровнем высокого импеданса. Другим важным вопросом был тот факт, что когда напряжение логического элемента смещалось близко к напряжению переключения элемента, ИС начинала работать в линейном режиме и пропускать существенный ток источника питания – данный ток предотвращает высокий импеданс при регулировке источника питания, с которым я столкнулся в двухконтактной версии этой схемы. Поэтому я установил регулятор LM317LZ для создания источника питания с низким импедансом величиной 3 В. Далее я увеличил входное напряжение до 12 В и добавил в схему реле с напряжением срабатывания 12 В.

Читайте также:  Светомузыкальная установка на светодиодах

Установка контактных площадок

Контактные площадки также могут быть изолированы или размещаться на задней стороне тонкой пластины, например на кусочке окрашенного полотна и т.д.

Ограничения

Чем ближе потенциометр регулировки чувствительности установлен к пороговому значению, тем большая вероятность, что электростатическая или электромагнитная помеха приведет к переключению состояния. Поэтому не устанавливайте на максимальную производительность. Также не используйте данное схемное решения для критически важных приложений.

Будущие корректировки

В схему необходимо установить дополнительный логический элемент для предотвращения ненамеренного срабатывания триггера в случае, если палец не сразу убирается после установки / сброса триггерной цепи.

Емкостные бесконтактные выключатели

Бесконтактный выключатель (датчик) — это полупроводниковый преобразователь, который управляет состоянием внешней цепи в зависимости от положения контролируемого объекта. При этом определение положения объекта происходит без механического контакта преобразователя и объекта.

В системах автоматизации бесконтактные выключатели, как правило, работают как первичные датчики контроля положения рабочих элементов оборудования, сигналы с которых далее передаются, в зависимости от задачи, на счетчики продукции, контроллеры перемещения, в системы аварийно-предупредительной сигнализации и т. п.

В зависимости от принципа действия бесконтактные выключатели бывают индуктивными, емкостными и оптическими.

Индуктивные бесконтактные выключатели могут применяться для подсчета или контроля положения металлических объектов. Чувствительный элемент такого датчика — катушка индуктивности с магнитопроводом, разомкнутым в сторону рабочей поверхности.

При подаче питания перед активной поверхностью бесконтактного выключателя образуется электромагнитное поле. При появлении в нем объекта из металла колебания генератора затухают, происходит падение демодулированного напряжения, срабатывает триггер, и переключается коммутационный элемент.

Контролируемым объектом для бесконтактных индуктивных выключателей может служить любой металлический предмет достаточных размеров, например: стальная пластина, выступ на валу, головка болта на соединительной муфте и др.

Емкостные бесконтактные выключатели могут применяться для подсчета или контроля положения объектов как из металла, так и из диэлектрических материалов. Также их можно использовать для контроля уровня жидких сред и сыпучих материалов.

Чувствительным элементом емкостного датчика являются вынесенные к рабочей поверхности пластины конденсатора. Приближение к этой поверхности контролируемого объекта из любого материала приводит к изменению емкости конденсатора, параметров генератора и, в итоге, к переключению коммутационного элемента.

Емкостные датчики могут применяться в системах автоматизации, например, для позиционирования заготовок из древесины или пластмассы; для подсчета стеклянной тары; в качестве датчиков уровня электропроводных и неэлектропроводных жидкостей в емкостях, а также сыпучих материалов — опилок, зерна и др. — в бункерах; в качестве бесконтактных водонепроницаемых «кнопок» для включения различных устройств посетителями в бассейнах и аквапарках и т. д.

Оптические бесконтактные выключатели применяют для позиционирования или подсчета любых объектов. Использование в них инфракрасного излучения минимизирует влияние на срабатывание выключателей засветки от посторонних и фоновых источников света.

Оптические бесконтактные выключатели серии AR подразделяются на две группы:

  • диффузные — с приемом луча, рассеянно отраженного от объекта;
  • барьерные — с приемом прямого луча от излучателя.

Диффузный оптический выключатель имеет размещенные в одном корпусе излучатель и приемник. Срабатывание датчика происходит, когда в рабочей зоне в пределах дальности действия датчика появляется объект достаточных размеров, и в приемник поступает луч, рассеянно отраженный от контролируемого объекта.

Барьерный оптический выключатель состоит из излучателя и приемника, которые размещены в отдельных корпусах. От излучателя к приемнику идет прямой луч. При перекрытии этого луча контролируемым объектом происходит срабатывание датчика.

Бесконтактный переключатель

Бесконтактный переключатель формирует управляющие сигналы для исполнительных механизмов при приближении металлического предмета к датчику – чувствительной катушке. Устройство может быть использовано в автоматике, робототехнике, охранной сигнализации. По своим параметрам этот переключатель аналогичен промышленным БТП-101, ВПБ-18 и др., но значительно проще и экономичнее. Кроме того, он с успехом заменяет специализированную микросхему CS209 (датчик расстояния до объекта), которой часто комплектуют различное импортное оборудование.

Принцип работы переключателя основан на воздействии металлического предмета на катушку, входящую в LC-контур генератора Она помещена в половину броневого ферритового магнитолровода, на открытом торце которого магнитные силовые линии замыкаются через воздух. Режим генератора выбран так, что приближение к торцу металлического предмете вызывает срыв генерации.

Элемент DD1.1, катушке L1 и конденсаторы С1, С2 (см. схему) образуют высокочастотный генератор. На диоде VD1, резисторе R2 и конденсаторе СЗ выполнен выпрямитель, а на элементах DD1 .2 и DD1.3 – пороговые элементы, причем первый из них инвертирующий.

В исходном состоянии генератор вырабатывает высокочастотные колебания. При этом на конденсаторе СЗ и, значит, на нижнем по схеме входе элемента DD1.2 и на верхнем элементе DD1.3 действует положительное напряжение, большее чем пороговое Uпор , равное 0,5 Uпит. Следовательно, на Выходе 1 устройства присутствует низкий уровень, а на Выходе 2 – высокий. При срыве генерации напряжение на конденсаторе СЗ уменьшается до уровня ниже порогового, в результате чего, логический уровень напряжения на выходах меняется на противоположный, т. е. происходит переключение устройства.

Нагрузку, как и обычно, включают в выходную цепь транзисторного усилителя тока (он на схеме не показан), который выбирают исходя из требуемых тока и напряжения. Не исключена и оптронная связь с нагрузкой. Конечно, наличие двух противофазных выходов не всегда обязательно, и можно включить три элемента микросхемы параллельно для увеличения выходного тока. С другой стороны, для построения переключателя достаточно двух логических элементов, поэтому на одной микросхеме может быть выполнено два переключателя.

В устройстве вместо К561ЛП2 может быть использована микросхема К564ЛП2 или другие логические микросхемы с соответствующей коррекцией схемы и номиналов. Катушка L1 – бескаркасная, содержит 100 витков провода ПЭЛШО 0,1. Ее помещают в ферритовую чашку магнитопровода Б14. Следует отметить, что число витков, провод, типоразмер магнитопровода, емкость конденсаторов не критичны и могут быть изменены в большую или меньшую сторону. Вместо диода КД503А подойдет любой кремниевый, высокочастотный или импульсный.

Резистор R2 предназначен для установки чувствительности переключателя. Можно регулировать ее и резистором, включенным параллельно катушке L1. Порог чувствительности переключателя с указанным магнитопроводом соответствует 1. 6 мм для парамагнетиков (сталь) и вдвое меньше для диамагнетиков. От размеров предмета, если он крупнее катушки, чувствительность почти не зависит.

Описанное устройство пригодно для подсчета числа деталей (или монет), а также определения материала, из которого они изготовлены. Так, например, оно легко различает материал монет (“медь” или “серебро”). Для повышения надежности его срабатывания вслед за выпрямителем следует ввести триггер Шмитта, собранный на свободном элементе микросхемы.

Кроме этого, переключатель удобно применить в электронном тахометре и системе электронного зажигания в автомобиле взамен пока еще дорогой и дефицитной магнитоуправляемой микросхемы серии К1116. В этих случаях для катушки L1 необходимо использовать магнитопровод П-образной формы.

Автор: А. ЛЕОНТЬЕВ, С. ЛУКАШ г. Киев, Радио 12/1992

HTML код для размещения на сайте или в блоге

Цифровые устройства на микросхемах ТТЛ. Переключатели

Практически каждый радиолюбитель хоть раз да применял переключатели П2К, которые могут быть одиночными (с фиксацией или без), или собираться в группы (без фиксации, независимая фиксация, зависимая фиксация). В ряде случаев такие переключатели целесообразнее заменить на электронные, собранные на ТТЛ микросхемах. Именно о таких переключателях мы и поговорим.

Читайте также:  Dc-генератор высокого напряжения

Переключатель с фиксацией. Эквивалентом в цифровой схемотехнике такому переключателю служит триггер со счетным входом. При первом нажатии на кнопку триггер переходит в одно устойчивое состояние, при повторном – в противоположное. Но управлять счетным входом триггера кнопкой напрямую невозможно из-за дребезга ее контактов в момент замыкания и размыкания. Одним из самых распространенных методов борьбы с дребезгом является использование кнопки на переключение совместно со статическим триггером. Взглянем на рис.1.

В исходном состоянии на выходах элементов DD1.1 и DD1.2 «1» и «0» соответственно. При нажатии на кнопку SB1 первое же замыкание ее нормально разомкнутых контактов переключает триггер, собранный на DD1.1 и DD1.2 , причем дребезг контактов на дальнейшую его судьбу не влияет – чтобы триггер вернулся в исходное состояние, необходимо подать логический ноль на нижний его элемент. Это может произойти только при отпускании кнопки и снова дребезг не повлияет на надежность переключения. Далее наш статический триггер управляет обычным счетным, который переключается по входу С фронтом сигнала с выхода DD1.2.

Следующая схема (рис.2) работает аналогично, но позволяет сэкономить один корпус, поскольку в качестве статического триггера используется вторая половина микросхемы DD1.

Если применение кнопок с переключающими контактами неудобно, то можно воспользоваться схемой, изображенной на рис.3.

В ней в качестве подавителя дребезга используется цепочка R1,С1,R2. В исходном состоянии конденсатор подключен к цепи +5 В и разряжен. При нажатии на кнопку SB1 начинается заряд конденсатора. Как только он зарядится, на входе счетного триггера сформируется отрицательный импульс, который его и переключит. Поскольку время зарядки конденсатора много больше времени переходных процессов в кнопке и составляет порядка 300 нс, дребезг контактов кнопки не влияет на состояние триггера

Переключатели с фиксацией и общим сбросом. Схема, изображенная на рис.4 представляет собой произвольное количество кнопок с независимой фиксацией и одной кнопкой общего сброса.

Каждый переключатель представляет собой статический триггер, включаемый отдельной кнопкой. Поскольку при появлении даже короткого низкого уровня триггер однозначно переключается и удерживается в таком положении до сигнала «сброс» на другом входе, схема подавления дребезга контактов кнопки не нужна. Сбрасывающие входы всех триггеров соединены и подключены к кнопке SBL, являющейся общей кнопкой сброса. Таким образом включить каждый триггер можно отдельной кнопкой, выключить же можно только все сразу кнопкой «Сброс».

Переключатели с зависимой фиксацией. В этой схеме каждая кнопка включает свой статический триггер и одновременно сбрасывает все остальные. Таким образом мы получаем аналог линейки кнопок П2К с зависимой фиксацией (рис.5).

Как и в предыдущей схеме, каждая кнопка включает свой триггер, но одновременно с этим запускает схему сброса, собранную на транзисторе VT2 и элементах DК.3, DK.4. Рассмотрим работу этого узла. Предположим, нам нужно включить первый триггер (элементы D1.1, D1.2). При нажатии на кнопку SB1 низкий уровень (поскольку конденсатор C1 разряжен) переключит триггер (вход элемента D1.1). Конденсатор тут же начнет заряжаться через цепь SB1, R8. Как только напряжение на нем увеличится примерно до 0.7В, откроется транзистор VT1, но для элемента D1.1 такое напряжение еще является логическим «0».

Транзистор тут же переключит триггер Шмидта на элементах DK.3, DK.4, который сформирует короткий импульс на входах сброса всех триггеров. Все триггеры будут сброшены (если до этого были включены), кроме первого, поскольку через кнопку SB1 на его верхний по схеме вход все еще подается логический «0» (напряжение ниже 1 В). Таким образом, задержка прохождения сигнала сброса достаточна для прекращения дребезга контактов, но сброс произойдет быстрее, чем мы отпустим кнопку, запрещающую переключение соответствующего триггера

Интересную и несложную схему переключателя с зависимой фиксацией можно построить на микросхеме К155ТМ8 (рис.6).

При подаче питания цепочка R6, С1 сбрасывает все триггеры и на их прямых выходах устанавливается низкий логический уровень. На входах D так же уровень низкий, поскольку все они замкнуты каждый через свою кнопку на общий провод. Предположим нажата кнопка SB1. На входе первого триггера устанавливается «1» (благодаря R1), на общем тактирующем входе – «0» (через переключающий контакт кнопки). Пока теоретически ничего не происходит, поскольку микросхема стробирует данные по положительному перепаду. А вот при отпускании кнопки данные со входов будут переписаны в триггеры – в 2, 3, 4 – «0», в 1 – «1», поскольку положительный фронт на входе С появится раньше, чем верхние по схеме контакты SB1 замкнутся. При нажатии любой другой кнопки цикл повторится, но «1» будет записана в тот триггер, чья кнопка будет нажата. Это в теории. Практически из-за дребезга контактов данные с входа перепишутся сразу после нажатия кнопки и по отпусканию ее не изменятся.

Все вышеперечисленные схемы с зависимой фиксацией обладают одним существенным недостатком, который свойственен и переключателям П2К – возможность «защелкивания» нескольких кнопок при их одновременном нажатии. Избежать этого позволит схема, собранная на приоритетном шифраторе (рис.7).

Схема, конечно, с виду достаточно громоздка, но фактически состоит лишь из трех корпусов без дополнительных навесных элементов и, что немаловажно, не требует кнопок на переключение. При нажатии на кнопку, приоритетный шифратор DD1 устанавливает на своем выходе двоичный код (инверсный) этой кнопки и подтверждает его сигналом G «строб», который тут же записывает данные в микросхему DD2, работающую в режиме четырехразрядного параллельного регистра-защелки. Здесь код еще раз инвертируется (выходы у регистра инверсные) и поступает на обычный двоично-десятичный дешифратор DD3. Таким образом, на соответствующем выходе дешифратора устанавливается низкий уровень, который будет неизменным до нажатия любой другой кнопки. Невозможность одновременного защелкивания двух кнопок обеспечивает схема приоритета (подробнее о работе приоритетного шифратора я писал здесь ). Поскольку микросхема К155ИВ1 прямо таки создана для наращивания разрядности, было бы глупо не воспользоваться этим и не собрать блок переключателей с зависимой фиксацией на 16 кнопок (рис.8).

Останавливаться на работе схемы я не буду, поскольку принцип наращивания разрядности ИВ1 я подробно описал здесь . Разводку выводов питания ТТЛ микросхем серии К155 (1533, 555, 133) можно посмотерть здесь.

Бесконтактный емкостной переключатель на логических элементах

6. Логические бесконтактные элементы в дискретных системах автоматического управления

До последнего времени большинство логических операций в системах автоматического управления выполнялось преимущественно при помощи электромагнитных реле, т. е. с применением механических подвижных контактов. Наличие этих контактов значительно снижало надежность систем автоматического управления, а индуктивность катушек реле приводила к уменьшению быстродействия систем.

Создание электронных логических элементов и бесконтактных переключающих устройств позволяет заменить громоздкие релейные механизмы более надежными, легкими, компактными и быстродействующими элементами.

Бесконтактный элемент, не имеющий движущихся контактов, является в механическом отношении статическим устройством.

В качестве бесконтактных элементов схем управления применяются вакуумные и газоразрядные лампы, магнитные усилители и полупроводниковые приборы. Хотя магнитные усилители и полупроводниковые приборы не являются идеальными выключателями (в отключаемой ими цепи ток не уменьшается до нуля), но благодаря высокой механической прочности и большому сроку службы они получают наибольшее распространение.

Использование в системах автоматического управления стандартных логических элементов значительно сокращает время, необходимое для проектирования систем. Кроме того, облегчается ремонт систем, ибо в этом случае он сводится к замене вышедших из строя элементов новыми стандартными элементами.

В последнее время появились новые конструкции электронных логических элементов, называемые “твердыми” схемами. В этих схемах нет отдельных сопротивлений, диодов, триодов и т. д. Чаще всего “твердая” схема представляет собой пластинку германия или кремния, по площади не превышающую поперечного сечения спичечной головки. На такой пластинке при помощи травления, диффузии и другими способами формируются диоды, триоды, конденсаторы и сопротивления. Благодаря этому один кристалл, не имеющий соединительных проводов, может выполнять очень сложные логические преобразования. Поскольку “твердые” схемы не имеют ни одной пайки, они обладают исключительно большой надежностью и поэтому в ближайшее время получат очень широкое применение в системах автоматического управления.

Читайте также:  Проверка проводки автомобиля мультиметром

Рассмотрим вначале простейшие релейные схемы и логические элементы, заменяющие их. Так как эти логические элементы выполняют те же функции, что и релейные схемы, то они называются аналогами релейных схем.

Пусть в системе автоматического управления имеется цепь, в которой (рис. 2.35) последовательно включено три реле с нормально разомкнутыми контактами. Ток в этой цепи появится только тогда, когда будут поданы напряжения на катушки всех трех реле (A, В и С). В этом случае реле выполняют следующую логическую операцию:


Рис. 2.35. Логический аналог трех последовательно включенных реле

Эта логическая операция может быть выполнена при помощи одного логического элемента “И” (рис. 2.35).

Если три реле включены параллельно (рис. 2.36), то они выполняют логическую операцию D = A + B + C. Поэтому реле могут быть заменены логическим элементом “ИЛИ”.


Рис. 2.36. Аналог параллельно включенных реле

Рассмотрим теперь случай, когда последовательно включены три реле с нормально замкнутыми контактами (рис. 2.37). Поскольку в этом случае необходима логическая операция

то она выполняется при помощи двух логических элементов: “ИЛИ” и “НЕ”.


Рис. 2.37. Аналог последовательно включенных реле с нормально замкнутыми контактами

Параллельно включенные реле с нормально замкнутыми контактами (рис. 2.38) выполняют логическую операцию

Поэтому они могут быть заменены схемой, состоящей из логических элементов “И” и “НЕ”.


Рис. 2.38. Аналог параллельно включенных реле с нормально замкнутыми контактами

Переключатель (рис. 2.39) выполняет две логические операции:

Поэтому они могут быть выполнены при помощи логического элемента “НЕ”.


Рис. 2.39. Аналог переключателя

Очень часто в схемах автоматического управления применяются переключатели с самозахватом (рис. 2.40). Характерной особенностью таких переключателей является то, что они при помощи блок-контакта подают напряжение на свою катушку и поэтому не переключаются после снятия сигнала А. Возврат реле осуществляется при помощи кнопки (K). Как следует из схемы переключателя с самозахватом, он выполняет следующие логические операции:

Эти операции (при соответствующем согласовании входов и выходов логических элементов) выполняются логической схемой, показанной на рис. 2.40.


Рис. 2.40. Аналог переключателя с самозахватом

Чем сложнее релейная схема, тем больше логических элементов необходимо для ее замещения. Выбор типа этих элементов и схемы их соединения осуществляется на основе суждений алгебры логики, описывающих релейную схему.

В настоящее время начинается выпуск универсальных логических элементов, наличие которых позволяет создавать любую сложную логическую схему. Такие элементы изготовляются в виде печатных плат, которые очень удобны для монтажа и наладки. Для того чтобы эти элементы были в значительной мере универсальными, они выполняются так, чтобы их можно было использовать в самых различных комбинациях.

Рассмотрим в качестве примера конструкцию универсального логического элемента “И” (рис. 2.41). Элемент состоит (рис. 2.41, а) из трех одинаковых частей. A1÷A6 являются входами элемента, a B1÷B3 – выходами.


Рис. 2.41. Универсальный логический элемент ‘И’: а – внутренний печатный монтаж; б, в, г – внешние контакты и схемы их соединения

Если (рис. 2.41, б) контакты В соединить с соответствующими контактами K, то получится три логических элемента, каждый из которых имеет два входа. При соединении контактов по схеме, показанной на рис. 2.41, в, получается два логических элемента, один из которых имеет два входа (А1 и A2), а другой – четыре (A3÷A6). Соединение контактов по схеме 2.41, г позволяет получить один логический элемент с шестью входами.

Используя стандартные логические элементы типа “НЕ”, “И”, “ИЛИ”, можно синтезировать (создавать) кибернетические системы автоматического управления, выполняющие сложные логические суждения.

Естественно, что для согласования логической схемы, собранной из универсальных элементов, с остальной частью системы автоматического управления необходимы преобразующие устройства, согласовывающие эти части системы по напряжениям и токам.

Рассмотрим пример синтеза кибернетической системы автоматического управления, выполненной на логических элементах.

На рис. 2.42 показан бак, из которого непрерывно вытекает вода. Наполнение бака производится по трубопроводу, имеющему вентиль K. Необходимо разработать систему автоматического регулирования уровня воды в баке. При этом требуется, чтобы вентиль К открывался тогда, когда уровень воды опустится ниже точки a, и закрывался при достижении водой точки b.


Рис. 2.42. Система автоматического регулирования уровня воды в баке

В соответствии со сказанным возможны три режима работы вентиля:

а) уровень воды ниже точки а – вентиль необходимо открыть;

б) уровень воды находится между точками a и b – вентиль должен быть либо открыт (при наполнении бака), либо закрыт (при расходовании воды);

в) уровень воды достиг точки b – вентиль надо закрыть.

Установим два датчика, сигнализирующих об уровне воды в баке. Пусть первый датчик дает сигнал (А) в том случае, когда уровень воды в баке находится в точке а и выше. Сигнал на выходе второго датчика (В) пусть появляется тогда, когда вода достигла уровня b.

Тогда в соответствии с тремя режимами работы вентиля логическую схему управления можно представить следующим образом:

1) если A = 0 и B = 0, то надо открыть вентиль (сигнал С);

2) если A = 1, а В = 0, то не нужно изменять положение вентиля;

3) если A = 1 и В = 1, то необходимо закрыть вентиль.

Составим теперь логическую схему, выполняющую эти условия.

Прежде всего, из условия 1 следует, что сигнал открытия вентиля (С) определяется выражением

Кроме условия 1, необходимо также обеспечить выполнение условия 2. Однако уравнение (2.34) не удовлетворяет этому условию. Действительно, в том случае, когда вода находится ниже уровня а, сигналы A = 0 и B = 0. Поэтому (условие 2.34) С = 1, т. е. дается сигнал на открытие вентиля. Но после того, как уровень воды превысит точку а, появится сигнал А = 1 и в соответствии с условием (2.34) С = 0. В этом случае вентиль закроется, хотя он должен быть открыт. Чтобы избежать такого положения, несколько изменим условие (2.34) и запишем:

В соответствии с данной логической операцией получаются следующие режимы работы системы автоматического регулирования:

а) A = 0, B = 0; тогда С = 1, т. е. в том случае, когда уровень воды находится ниже точки а, дается сигнал (1) на открытие вентиля;

б) A = 1, B = 0; тогда С = 1, т. е. при подъеме уровня воды выше точки а (после открытия вентиля) вентиль остается открытым;

в) А = 1, B = 1; тогда С = 0, т. е. после достижения точки b вентиль закрывается;

г) A = 1, B = 0; тогда С = 0, т. е. при снижении уровня воды (после закрытия вентиля) вентиль остается закрытым.

Следовательно, сложное логическое суждение (2.35) полностью удовлетворяет требованиям, поставленным перед системой автоматического регулирования уровня воды. Это суждение (рис. 2.42) реализуется при помощи четырех логических элементов (двух элементов типа “НЕ”, элементов “И” и “ИЛИ”). Выход элемента “И” включается на катушку электромагнита. При появлении сигнала на катушке (С = 1) электромагнит открывает вентиль К, после снятия этого сигнала (С = 0) вентиль закрывается.

Так происходит синтез кибернетических систем на основе логических элементов.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
×
×
Adblock
detector